WO/2019/093016 | PHOTOGRAPHING SYSTEM, PHOTOGRAPHING METHOD, AND PROGRAM |
JP2012500387 | Variable coherence integration for weak signal position detection |
JP2009222465 | POSITION DETECTION SYSTEM |
DORUKH IGOR GEORGIEVICH (RU)
RU2060513C1 | 1996-05-20 | |||
RU2507533C2 | 2014-02-20 | |||
RU2360204C1 | 2009-06-27 | |||
RU2472101C1 | 2013-01-10 |
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ определения местоположения объекта навигации, заключающийся в излучении объектом навигации высокочастотного гармонического сигнала, приёме его в нескольких опорных радионавигационных точках с известными координатами, отличающийся тем, что с объекта навигации дополнительно излучают второй высокочастотный гармонический сигнал, частота которого отличается от частоты первого высокочастотного гармонического сигнала на заданную величину, в каждой из опорных радионавигационных точек принимают этот сигнал наряду с первым, формируют из принятых сигналов сигналы разностной частоты, передают сформированные сигналы в центральный пункт обработки, где из каждого из них дополнительно формируют сигналы масштабной частоты, величина которой в п раз меньше разностной частоты, измеряют и фиксируют разности фаз сигналов разностной частоты, поступивших из разных опорных точек, а также разности фаз сформированных из них сигналов масштабной частоты, по окончании измерений результаты измерений разностей фаз пересчитывают в координаты объекта навигации с учётом взаимного расположения центрального пункта обработки и опорных радионавигационных точек. |
НАВИГАЦИИ
Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано в локальных навигационных системах и сетях для управления движением мобильных объектов в локальных зонах навигации.
Известен защищенный патентом РФ j\b 2204145, кл. G01 S 3/46, 2003 способ определения координат источника излучения, основанный на приёме его сигнала тремя антеннами, образующими ортогональные базы.
Такое действие, как определение направления на источник излучения, является существенным признаком и заявляемого способа.
Известен также защищенный патентом РФ N_? 2013785, кл. G01 S 13/00, 1994, способ определения местоположения подвижных объектов, заключающийся в излучении кодированных сигналов передатчиками объектов, приёме сигналов в N пространственно разнесённых пунктах с последующей ретрансляцией их на центральный пункт обработки и измерении задержек между принятыми сигналами.
Ретрансляция сигналов на центральный пункт обработки является существенным признаком и заявляемого способа.
Причиной, препятствующей достижению в этих аналогах, защищенных патентами РФ, технического результата, обеспечиваемого изобретением, является необходимость использования достаточно сложной системы единого времени. Известен разностно-дальномерный способ определения местоположения мобильных объектов, заключающийся в поочерёдном излучении сетью опорных навигационных пунктов, расположенных в точках пространства с известными координатами, когерентных гармонических сигналов, их приёме на мобильном объекте, принятых от каждого опорного объекта и вычислении по ним координат мобильного объекта [Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радиолокационные и радионавигационные системы. - М.: Радио и связь, 1994, с. 21 1-214].
Измерение фазовых сдвигов сигналов и вычисление по ним координат мобильного объекта является существенным признаком и заявляемого способа.
Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, является необходимость в использовании высокоточной шкалы единого времени на объекте навигации и сложность реализации при больших расстояниях между опорными радионавигационными точками и объектом навигации.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является обращенный разностно-дальномерный способ определения координат [Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. - М.: Сов.радио, 1979, с. 10-1 1, с. 97-100].
Способ заключается в одновременном излучении объектом навигации и передатчиком, установленным в неподвижной точке с известными координатами, непрерывных гармонических высокочастотных сигналов и одновременном приёме указанных гармонических сигналов в нескольких опорных радионавигационных точках и формировании там из принятых сигналов сигналов разностной частоты.
Такие действия, как излучение высокочастотных гармонических сигналов объектом навигации и приём излучаемых гармонических высокочастотных сигналов в опорных радионавигационных точках с известными координатами, формирование там сигналов разностной частоты из принятых высокочастотных сигналов, являются существенными признаками и заявляемого способа. Причинами, препятствующими достижению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, являются следующие.
Первой причиной, препятствующей обеспечению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является необходимость непрерывного излучения сигнала неподвижным передатчиком. Это ухудшает условия электромагнитной совместимости оборудования. Возникает необходимость одновременного приёма и передачи двух сигналов с близкими частотами, что ухудшает условия обеспечения информационной безопасности оборудования и облегчает возможность подавления его работы. Указанные обстоятельства снижают помехозащищённость устройств, реализующих способ.
Второй причиной, препятствующей достижению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является то обстоятельство, что координаты неподвижного передатчика всегда определяются с некоторой погрешностью, что в конечном итоге приводит к снижению точности измерения координат объекта навигации.
Третьей причиной, препятствующей обеспечению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, являются небольшие размеры области пространства, в пределах которой возможно однозначное определение координат объекта навигации с высокой точностью. Размеры этой области пространства в способе-прототипе ограничены зоной, в которой расстояния между объектом навигации и каждой из опорных радионавигационных точек должны разниться между собой не более, чем на половину длины волны сигнала частоты, равной разности частот СВЧ-сигналов, излучаемых объектом навигации и передатчиком, установленным в неподвижной точке.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение помехозащищенности устройств, реализующих предлагаемый способ, повышение точности определения координат объекта навигации и расширение области пространства, в пределах которой возможно з однозначное определение координат объекта навигации без уменьшения точности этого определения.
Для достижения указанного технического результата в известном способе определения местоположения объекта навигации, заключающемся в излучении объектом навигации высокочастотного гармонического сигнала, приеме его в нескольких опорных радионавигационных точках с известными координатами, с объекта навигации дополнительно излучают второй высокочастотный гармонический сигнал, частота которого отличается от частоты первого высокочастотного гармонического сигнала на заданную величину, в каждой из опорных радионавигационных точек принимают этот сигнал наряду с первым, формируют из принятых сигналов сигналы разностной частоты, передают сформированные сигналы в центральный пункт обработки, где из каждого из них дополнительно формируют сигналы масштабной частоты, величина которой в п раз меньше разностной частоты, измеряют и фиксируют разности фаз сигналов разностной частоты, поступивших из разных опорных точек, а также разности фаз сформированных из них сигналов масштабной частоты, по окончании измерений результаты измерений разностей фаз пересчитывают в координаты объекта навигации с учётом взаимного расположения центрального пункта обработки и опорных радионавигационных точек.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведены:
- на фиг. 1 - взаимное положение объекта навигации и трёх опорных радионавигационных точек в прямоугольной системе координат 0XY;
— на фиг. 2 - зона однозначного определения координат объекта навигации в привязке к этим точкам.
Функционирование способа поясняется фиг.1 , на которой показаны мобильный объект (МО) навигации, находящийся в точке с неизвестными координатами Хмо и Умо, опорные радионавигационные точки ОРТ1 , ОРТ2 и ОРТЗ, расположенные в точках с известными координатами Х \ и У , ΧΊ и Уг и Хз и Уз соответственно, а также центральный пункт обработки (ЦПО), расстояния от которого до точек ОРТ1 , ОРТ2 и ОРТЗ равны соответственно R R2 и R3. Там же показаны расстояния i, D 2 , А между объектом навигации и опорными радионавигационными точками.
С объекта навигации в течение заданного интервала времени излучают в направлении точек ОРТ1 , ОРТ2 и ОРТЗ сигнал S M0 (t) , представляющий собой сумму двух гармонических высокочастотных сигналов с амплитудами А, частотами ωι и &> и случайными начальными фазами φ и φ 2 :
S MO {t) = 4[cos(fi> j t + ψ \ ) + cos(&> 2 t + φ 2 )].
Интервал времени, в течение которого излучается рассматриваемый сигнал, выбирается достаточным для выполнения фазовых измерений в ЦПО (подробнее об этом будет сказано ниже).
Излучаемый МО сигнал принимается в точках ОРТ1, ОРТ2 и ОРТЗ, удаленных от объекта навигации на расстояния A, А и А соответственно. Принимаемые в указанных точках сигналы S \ (t), S 2 (^) и S^t) имеют следующий вид:
8 ] (ί) = Α ι {^[ω ι (ί + ^) + φ ι ] +€03[ω 2 (ί + ^-) + φ 2 ] } -
А А
S 2 (t) = A 2 {cosfa {t + ^) + ^ + cos[ 2 (t + ^) + q> 1 \} -,
8 3 (ί) = Α 2 {οο5[ω ] (ί + ^-) + φ ] ] + οο3[ω 2 (ί + ^) + φ 2 ]} , где С=2,9979 - 10 8 м/с - скорость распространения радиоволн в атмосфере.
В каждой из опорных радионавигационных точек из принятого сигнала
S j (t) (/ = 1, 3) , представляющего собой сумму двух высокочастотных гармонических сигналов с частотами ω ι и а>2, формируют сигналы с разностной частотой ω = (частотой биений):
S OPT\ (0 = А соя[й) р {ί + ^) + φ χ - φ 2 } ,
А
S OPT2 (0 = ™ί{ω ρ (ί + ~ ) + φ ] - φ 2 ] , s OPT3 (0 = A 3 C0S K? (t + - + φ χ - φ 2 ] .
Эти сигналы различаются амплитудами и временными задержками, которые определяются расстояниями D \ , Di и Z ) 3 соответственно. Сформированные сигналы разностной частоты по проводным каналам передают в ЦПО.
Таким образом, в ЦПО приходят три следующих сигнала:
1) сигнал, поступивший из ОРТ1 :
где С \ - скорость распространения гармонического сигнала по проводному каналу.
Он отличается от сигнала <$οΡΤ ΐ( амплитудой и дополнительным фазовым ,
сдвигом ω Ρ , который обусловлен прохождением расстояния R\, разделяющего ОРТ1 и ЦПО.
Этот сигнал можно представить в следующем виде:
2) сигнал, поступивший из ОРТ2:
£ (0 = Ap C0S ( * + - 7) + ω ρ ]
Он отличается от сигнала S OPT2 {t) амплитудой и дополнительным фазовым R 2
сдвигом ~ &>р , который обусловлен прохождением расстояния R 2 , разделяющего ОРТ2 и ЦПО
Этот сигнал также можно представить в виде: D R
где Ψι=[(φ -φ 2 ) + ω ρ ^ + ω ρ - \
3) сигнал, поступивший из ОРТЗ:
D R
5цз (0 = 4ц с ™[& Р (t + - ) + φ, - φ 2 + - ω ρ ]
Он отличается от сигнала <$ОРТЗ( амплитудой и дополнительным фазовым сдвигом -τ ω ρ , который обусловлен прохождением расстояния R 3 , разделяющего ОРТЗ и ЦПО.
Его также можно представить в виде:
Зцз(*) = А цз со $ ео р* + Чз >
В ЦПО измеряют разность фаз Λψ 2] - ψ2 ~ Ψ \ сигналов S U2 (t) nS m (t) и разность фаз :
D 2 -D, R 2 -R,
С * С,
Как следует из этих выражений, разности фаз Λψ ιχ и /1^ 23 не зависят от начальных фаз излучаемых МО сигналов φ и φ 2 .
Вторые слагаемые в выражениях для Δψ 1λ и
Δψ 2 не зависят от пространственного положения объекта навигации. Они представляют собой дополнительные фазовые сдвиги сигнала с частотой со р при передаче их из соответствующих опорных точек в ЦПО. Эти фазовые сдвиги определяются взаимным расположением в пространстве ЦПО относительно опорных точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТЗ, их можно рассчитать заранее и вычесть из измеренных в ЦПО разностей фаз Δψ 2 и Λψ ,. Это позволяет найти разности фаз сигналов с частотой о р формируемых в опорных точках ОРТ2 и ОРТ1 и ОРТ2 и ОРТЗ, которые необходимы для нахождения разностей расстояний D 2 -D { nD 2 -D 2 , используемых для вычисления координат объекта навигации.
Однозначное измерение координат объекта навигации возможно только в той области пространства, обслуживаемой радионавигационной системой, для которой фазовые сдвиги Αψ 2] и Δ<//, 3 сигналов разностной частоты не выходит за пределы интервала . Это условие выполняется, если в пределах указанной области пространства расстояния от любой ее точки до любой из опорных радионавигационных точек различаются между собой не более, чем на половину длины волны λ ρ сигнала разностной частоты ω ρ . Область пространства, для которой выполняется это условие, ограничена четырехугольником ABEF, сторонами которого являются линии положения АВ, EF, BE и AF (фиг.2), уравнения которых имеют следующий вид:
,j(X-X ] ) 2 +(Y~Y x ) 2 -^(X-X 2 ) 2 +(Y-Y 2 ) 2 =L x ;
^{Х -Х 2 ) 2 +(Y- Y 2 γ - {χ -χ,Ϋ + {γ- Υ, f =L 2 , где параметр L\ равен -^- для линии AF и ( _ ^ ) Д ля линии BE, а параметр Li равен для линии EF.
Для расширения области однозначного определения координат необходимо увеличивать величину Я р , и, следовательно, снижать величину разностной частоты ω ρ .
Следует отметить, что само по себе снижение величины разностной частоты ω , например, путём сближения частот ω χ и ω 2 высокочастотных гармонических сигналов при неизменной погрешности фазовых измерений автоматически приводит к снижению точности измерения разностей расстояний и как следствие этого - к снижению точности измерения координат.
Для предотвращения снижения точности разностей расстояний фазовые измерения в предлагаемом способе осуществляют на двух частотах: непосредственно на разностной ω ρ и дополнительно сформированной в ЦПО масштабной a> n = o p / n , частота которой выбирается в п раз меньше ω ρ . Сигналы масштабной частоты формируют для каждого из сигналов S m (f) , S U2 (t) и S ui (i) , поступивших в центральный пункт обработки из точек ОРТ1, ОРТ2 и ОРТЗ.
Учитывая, что фазовые измерения на частоте ω ρ однозначны только в той области пространства, для которой разности расстояний, которые соответствуют сигналам S l (t) , Sy 2 (t) и S u , (t не превосходят половину длины волны сигнала разностной частоты, фактические разности фаз Α ψ для любых двух сигналов на частоте о р определяют по формулам:
Αψ φ = Αψ ρ + 2πΚ , где Α ρ и Αψ η - разности фаз сигналов, измеренные в ЦПО на частотах о р и ω η - int( х ) - целая часть аргумента х.
Коэффициент к и фактическую разность фаз Αψ вычисляют для сигналов каждой из пар ОРТ по измеренным в ЦПО разностям фаз Αψ ρ и Λψ η .
Ниже приведён алгоритм пересчёта результатов фазовых измерений в координаты объекта навигации. Этот алгоритм применим для локальных навигационных систем, когда допустимо пренебречь сферичностью Земли, а скорость распространения радиоволн в зоне действия навигационной системы можно считать постоянной.
Исходными данными для расчёта являются:
- разность фаз Δψ η1 χ сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω η для радионавигационных точек ОРТ1 и ОРТ2;
- разность фаз Δψ η23 сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω η для радионавигационных точек ОРТ2 и ОРТЗ;
- разность фаз Δί// ρ21 сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω ό для радионавигационных точек ОРТ1 и ОРТ2;
- разность фаз Δ^ ρ23 сигналов, измеренная в ЦПО на частоте ω ό для радионавигационных точек ОРТ2 и ОРТЗ .
Кроме того, в расчёте используют следующие константы:
- значение первой высокой частоты со , ;
- значение второй высокой частоты О ) 2 ;
- скорость распространения радиоволн в атмосфере С;
- скорость распространения радиосигнала по проводному каналу С \ - расстояние R21 между второй ОРТ2 и первой ОРТ1 опорными радионавигационными точками;
- расстояние R 2 3 между третьей ОРТЗ и второй ОРТ2 опорными радионавигационными точками;
- расстояния R,, R 2 и R 3 между ЦПО и ОРТ1, ОРТ2 и ОРТЗ соответственно;
- коэффициент п превышения разностной частоты над масштабной. Порядок расчёта следующий.
1. Вычисляют разностную ω = . частоты.
2. Вычисляют разности фазовых сдвигов сигналов разностной частоты ω ρ при распространении их от опорных радионавигационных точек к ЦПО: ю
3. Вычисляют величины к = int η
2π
4. Вычисляют фактические разности фаз :
Αψ 2] = Αψ ρ2 + 2лк 2 -Δι// 21 ,
5. Решают навигационную задачу - определяют координаты объекта навигации:
а) вычисляют разности расстояний от объекта навигации до опорных точек
С
Α0 2 ,=ϋ 2 -Ό,=Αψ
co r
Здесь D V D 2 ,D 3 - расстояния от объекта навигации (МО) до первой
ОРТ1, второй ОРТ2 и третьей ОРТЗ опорных радионавигационных точек в соответствии с фиг.1; б) АЦ, и АД нормируют по длинам базовых линий и вычисляют параметр /:
R 2\ 1-
Μ 2 = 2ΔΟ -
R 21 R 23 R 23 1- Ad 2 2 3 в) определяют постоянные параметры:
CI— ^21 ' b = /Ad 22 -Ad 2l , и где CC 1 - угол между осью у и базовой линией R21 ; с 2Ъ - угол между осью у и базовой линией R 2 3.
г) каким-либо из численных итерационных методов решают уравнение для вычисления угла ? 2 з между базовой линией R23 и направлением на объект навигации:
cos (а - β 23 )— γ cos β 23 = b ;
д) вычисляют расстояние D 2 от точки ОРТ2 до объекта навигации
R 2 ,(\ - Ad] )
2Ad 23 + cos β 13
е) вычисляют координаты объекта навигации в местной прямоугольной системе координат, начало которой находится в точке ОРТ2:
x - D 2 cos( а 23 + β 23 ) ,
у = D 2 sin( a 23 + β 23 ) .
При необходимости координаты объекта навигации пересчитывают в исходную прямоугольную систему координат
^MO = 2 + X = ^2 + D 2 COS ( А П + β^) >
Υ ΜΟ = Υ 2 + У = Υ 2 + D 2 sin( 23 + β 23 ) .
To обстоятельство, что в предлагаемом способе измерения разности фаз выполняют на двух частотах разностной ω ρ и масштабной ω η , частота которой в п раз меньше ω Ρι позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ позволяет значительно (примерно в п 2 раз) расширить область пространства, в которой возможно однозначное определение координат объекта навигации, по сравнению с прототипом и одновременно не ухудшить точность их измерения.
В предлагаемом способе для такого расширения частота со п выбирается достаточно низкой (исходя из размеров требуемой области определения координат), а частота &> р достаточно высокой (исходя из требуемой точности их определения). Для примера на фиг.2 показаны две заштрихованные области пространства, ограниченные четырёхугольниками ABEF и GNMK соответственно, в которых возможно однозначное определение координат объекта навигации на частотах 0„ и со р соответственно. Четырёхугольник
ABEF соответствует частоте ( п примерно в пять раз меньшей, чем четырёхугольник GNMK, соответствующий частоте со р .
В способе-прототипе фазовые измерения выполняются только на частоте биений со р . Её в принципе можно выбрать достаточно низкой, но это приведёт к снижению точности измерения координат, которая и без того снижена из-за погрешности определения координат неподвижного передатчика.
В предлагаемом же способе, фазовые измерения осуществляются не только на частоте со р , но и на частоте со п , которая в п раз ниже со р . При этом фазовые измерения на частоте ω η используются лишь для исключения неоднозначности фазовых измерений, а для решения навигационной задачи используют более точные вычисленные значения фактических разностей фаз
Δ ψ Φ = Δ ψ р + 2жк на частоте со р . По сравнению с прототипом точность определения координат в предлагаемом способе не снижается, а повышается за счёт исключения погрешности определения координат неподвижного передатчика.
Предлагаемый способ не требует непрерывного излучения второго высокочастотного сигнала, что исключает связанное с этим передатчиком снижение помехозащищённости устройств, реализующих способ.
Техническая реализация способа не вызывает затруднений.
В качестве примера реализации рассмотрим реализацию предлагаемого способа для построения локальной навигационной системы для управления движением транспорта в местах повышенной опасности, где требуется высокоточное определение местоположения высокоскоростных движущихся объектов: на критических участках трасс их движения (например, при приближении к местам переключения стрелок на железнодорожных путях, вблизи крутых закрытых поворотов автомобильных трасс). Для реализации системы может быть выбран диапазон частот 1200- 1400МГц. Зона действия локальной навигационной системы5 может составлять несколько сотен метров. Формирование двух гармонических сигналов (основного и дополнительного) на объекте навигации можно реализовать на основе двух синтезаторов частоты, синхронизируемых общим опорным генератором и сумматора. В качестве синтезаторов частоты можно применить, например, микросхемы типа ADF4360-5, в которых предусмотрена возможность изменения частоты путем подачи соответствующих цифровых кодов на входы управления и которые позволяют сформировать два высокостабильных гармонических сигнала с разносом частот от (0,1 - 100) МГц, в качестве опорного генератора термостабилизарованный кварцевый генератор типа NT3225SA.
Для приема гармонических сигналов в опорных радионавигационных точках можно использовать интегральные СВЧ-усилители - микросхемы типа SPF5122Z. В качестве узла формирования сигнала разностной частоты можно использовать смеситель на транзисторе BFP620, в качестве нагрузки которого служит фильтр нижних частот с частотой среза 10 МГц.
Передачу сигналов разностной частоты из опорных радионавигационных точек в центральный пункт обработки можно реализовать по проводным каналам, либо по радиоканалам с разделением их по частоте.
Нормирование принятых в центральном пункте обработки сигналов по амплитуде осуществляется путем амплитудного ограничения принятых сигналов разностной частоты с помощью логарифмических усилителей AD8309.
Формирование сигналов масштабной частоты реализуются, путем деления по частоте сигналов разностной частоты, например, с помощью делителей частоты на микросхемах К561ИЕ20 или 561ИЕ20. Измерение разности фаз сигналов разностной частоты в центральном приемном пункте может быть реализовано с помощью фазового детектора на микросхеме SYPD-1.
Аналоговые сигналы с выхода фазового детектора подаются через аналого- цифровые преобразователи на входные порты микопроцессора типа STM, в котором реализуется решение навигационной задачи по приведённому выше алгоритму.
Способ может найти применение для построения ттокальных навигационных систем для управления движением транспорта в местах повышенной опасности, где требуется высокоточное определение местоположения высокоскоростных транспортных средств на критических участках трасс их движения (например, при приближении к местам переключения стрелок на железнодорожных путях, вблизи крутых закрытых поворотов автомобильных трасс).
Next Patent: ELECTROMAGNETIC DEVICE, GUIDEWAY, AND VEHICLE EQUIPPED WITH SAID DEVICE